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相關(guān)產(chǎn)品：HDAWG，SHFSG

背景介紹

量子計算，量子通信及量子度量學(xué)所面臨的困難是巨大的，任何一個物理比特都與周圍環(huán)境有各種各樣的相互作用。而這種技術(shù)所依賴的量子資源（相干性，糾纏等等）對于環(huán)境的擾動是非常敏感的，在很短的時間內(nèi)，制備的量子態(tài)的相干性和糾纏就會消失殆盡。人們想出了很多辦法來克服這個問題，大致可分為兩類 。一種就是實(shí)現(xiàn)快速操作。也就是說在退相干時間前完成所有的比特操作。另一種就是延長退相干的時間。 此篇文獻(xiàn)利用實(shí)時反饋控制，控制蘇黎世儀器的HDAWG產(chǎn)生序列脈沖波型，減少測量數(shù)量，達(dá)到快速操作的目的。

實(shí)時反饋控制通常可以加速量子實(shí)驗(yàn)、提高精確性或實(shí)現(xiàn)新方法。一個例子是自適應(yīng)傳感和表征，它使用反饋來最大限度地減少估計給定數(shù)量所需的測量數(shù)量。我們赫瑞瓦特大學(xué)（蘇格蘭愛丁堡）的Cristian Bonato 教授團(tuán)隊的客戶最近在基于 NV 中心的自旋量子位上演示了這種方法，并且比起非自適應(yīng)方法，在估計量子位退相干時間尺度速度提高了一個數(shù)量級。在這篇博文中，Muhammad Junaid Arshad 博士、Christiaan Bekker 博士和 Ben Haylock 博士分享了對 Zurich Instruments HDAWG 任意波形發(fā)生器的見解。

圖 1：自適應(yīng)退相干估計實(shí)驗(yàn)的示意圖。 HDAWG 用于操縱 NV 中心自旋狀態(tài)。自旋態(tài)通過雪崩光電二極管 (APD) 進(jìn)行光學(xué)測量。微控制器使用光子計數(shù)率來估計退相干時間尺度的值并計算下一次測量的最佳探測時間 τ。

圖 1 所示的過程基于貝葉斯推論，其中感興趣參數(shù)的概率分布（例如退相干時間尺度T2的p(T₂）在每次測量結(jié)果mi之后通過貝葉斯規(guī)則進(jìn)行更新

概率 p(mi |T2)（稱為似然）描述了在給定退相干時間尺度 T 2的情況下檢測到測量結(jié)果 m i的概率，其衰減按照對數(shù)規(guī)律減少。

每次測量后，概率分布用于計算最佳實(shí)驗(yàn)設(shè)置（在本例中為下一次測量的探測時間 τ）。這可以通過多種方式來完成。在這里，研究人員選擇利用 Cramer-Rao 界并最大化 Fisher 信息，該信息描述了概率分布對給定參數(shù)的依賴程度。

使用實(shí)驗(yàn)設(shè)置的快速實(shí)時適應(yīng)是一種有效表征量子系統(tǒng)及其動力學(xué)的有前景的技術(shù)，其應(yīng)用范圍從量子傳感到量子設(shè)備的表征。例如，自適應(yīng)技術(shù)可用于使用單個電子自旋作為微型量子傳感器來加速磁場測量

圖 2：實(shí)驗(yàn)裝置中的光學(xué)、微波和電子硬件示意圖。插圖顯示了 NV 中心在兩種自旋狀態(tài)之一下制備的光子到達(dá)時間的直方圖。

在圖 2 所示的實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，微控制器（AdWin Pro II，Jaeger Messtechniek GmbH）存儲概率分布，根據(jù)測量結(jié)果應(yīng)用貝葉斯規(guī)則，并計算最佳探測時間 τ。然后，微控制器通過其 DIO 端口將最佳探測時間的值饋送到 HDAWG，通過 DIO 位發(fā)出可用的新值信號。HDAWG 讀取該值并相應(yīng)地構(gòu)建脈沖序列，該序列由兩個間隔時間 τ 的 π/2 脈沖組成。生成的信號被上轉(zhuǎn)換為與電子自旋躍遷共振的微波頻率，然后放大并發(fā)送到樣品。

用光學(xué)方法讀出NV 中心自旋，通過用綠色激光脈沖激發(fā)它，并檢測發(fā)射的光致發(fā)光。兩種自旋本征態(tài)之一可以在光學(xué)照射下陷入亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致較低的光致發(fā)光強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)與自旋相關(guān)的亮度。單次讀出在室溫實(shí)驗(yàn)中不可用，因此我們需要重復(fù)實(shí)驗(yàn) R 次：包含光子數(shù) r 的信號由微控制計數(shù)器在 R 次重復(fù)中檢測到[2]。有關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)置的更多詳細(xì)信息可以在手稿的附錄中找到。

用光學(xué)方法讀出NV 中心自旋，通過用綠色激光脈沖激發(fā)它，并檢測發(fā)射的光致發(fā)光。兩種自旋本征態(tài)之一可以在光學(xué)照射下陷入亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致較低的光致發(fā)光強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)與自旋相關(guān)的亮度。單次讀出在室溫實(shí)驗(yàn)中不可用，因此我們需要重復(fù)實(shí)驗(yàn) R 次：包含光子數(shù) r 的信號由微控制計數(shù)器在 R 次重復(fù)中檢測到。有關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)置的更多詳細(xì)信息可以在手稿的附錄中找到。

實(shí)時通訊

Zurich Instruments HDAWG 和微控制器之間的交互是通過 32 位 DIO 連接完成的。對于 HDAWG，前三個 8 位總線配置為輸入，第四個設(shè)置為輸出。微控制器使用第一條總線來標(biāo)記何時更新參數(shù)值、何時準(zhǔn)備好供 HDAWG 使用，以及對序列應(yīng)用布爾設(shè)置（例如，使用 π 脈沖？真/假）。第二和第三總線各自用于傳送HDAWG將其解釋為實(shí)驗(yàn)設(shè)置的值（例如微波脈沖長度或激光脈沖之間的延遲）。 HDAWG 使用最后一條總線在運(yùn)行序列或等待微控制器更新下一次測量運(yùn)行的值時發(fā)出信號

圖三.代表著適應(yīng)實(shí)驗(yàn)流程的流程圖

序列編程

典型的序列從初始化實(shí)驗(yàn)常數(shù)和波的段開始。初始化完成后，序列進(jìn)入do-while循環(huán)，并發(fā)出信號表示已經(jīng)準(zhǔn)備好開展測量

do {

 // Waiting for the ADwin to be ready, AWG is ready at this point

 setDIO(1<<AWG_ready_pin);

然后，HDAWG等待微控制器指示它已準(zhǔn)備好與測量參數(shù)通信，使用waitDIOTrigger（），并捕獲這些值，使用getDIO（）：

waitDIOTrigger();

var dio = getDIO();

然后根據(jù)所執(zhí)行的測量對輸入?yún)?shù)進(jìn)行解釋。例如，在Ramsey測量[1]的情況下，微控制器給出的兩個π/2微波脈沖之間的延遲的編碼的輸入?yún)?shù)。

// get the value of the delay length (parameter we are trying to sweep with ADwin) wait(10);

var t1_delay = (dio>>ADwin_para) & 0xFF;

一旦定義了該值，它就會通過playZero（）指令用作脈沖序列中的延遲，并實(shí)現(xiàn)縮放因子以將8位值轉(zhuǎn)換為正確的波形長度。這使得延遲在運(yùn)行時之前完全是任意的

setTrigger(AOM_channel);

wait(Cycles_rect);

setTrigger(0);

repeat(n_pulses)

{ playZero(Samples_wait_after_pulse);

resetOscPhase();

setSinePhase(0, 0);

setSinePhase(1, 90+IQ_phase_correction);

playWave(I_channel,w_mw_pi_padded,Q_channel,w_mw_pi_padded*IQ_factor); playZero(t1_delay*scaling_factor-Sample_wait_between_mw_pulses-padding); playZero(Sample_wait_between_mw_pulses);

waitWave();

playWave(I_channel,w_mw_pi_padded,Q_channel,w_mw_pi_padded*IQ_factor); playZero(Samples_wait_after_pulse);

waitWave(); }

在代碼中，微控制器的不同計數(shù)通道之間的切換是使用Marker通道實(shí)現(xiàn)的（即上面示例中的setTrigger()）。一旦所需的脈沖序列數(shù)量被播放，HDAWG就會向微控制器發(fā)出完成的信號：

// Send DIO finished to ADwin

setDIO(1<<AWG_done_pin);

wait(Cycles_sequence_wait);

} while (True)

然后序列處理器返回到序列開頭的do-while循環(huán)，等待來自微控制器的下一個測量序列的參數(shù)。序列設(shè)置的方式意味著HDAWG 不需要知道如何確定每個測量的參數(shù)（例如通過參數(shù)掃描或自適應(yīng)貝葉斯更新協(xié)議），也不需要知道需要多少個測量序列。一旦完成所需的一組測量，微控制器就會向 LabOne Python API 發(fā)出信號以停止 HDAWG 序列。同樣，微控制器不需要知道測量的脈沖序列，而只需知道在給定測量的信號計數(shù)的情況下如何更新所研究的退相干率的預(yù)期值。

此序列中使用的交接協(xié)議意味著 HDAWG 和微控制器之間不需要快速同步。當(dāng)一臺儀器繁忙時，它將關(guān)閉其“就緒”指示并繼續(xù)其過程，直到需要另一臺儀器的輸入為止。當(dāng)?shù)竭_(dá)這一點(diǎn)時，它進(jìn)入等待循環(huán)并打開其“就緒”指示。這允許其他儀器使用發(fā)送的新信息啟動其過程，直到它可以提供反饋信息。由于沒有瞬態(tài)信號，儀器之間的切換順利進(jìn)行，并且一旦所需的信息準(zhǔn)備好，就會啟動該過程的每個部分。

HDAWG能夠?qū)崟r調(diào)整脈沖序列參數(shù)，如延遲時間和脈沖相位。這種能力與實(shí)時優(yōu)化算法相結(jié)合，可以為實(shí)現(xiàn)更有效的量子實(shí)驗(yàn)協(xié)議提供新的機(jī)會。要探索實(shí)時控制用例中的可能性，請與我們聯(lián)系，讓我們談?wù)劊?/span>

相關(guān)產(chǎn)品及優(yōu)勢

圖4.HDAWG任意波形發(fā)生器

• 2.4 GSa/s，16 位，帶寬 750 MHz

• 最大輸出幅值 5 Vpp

• 最多可擴(kuò)展至 144 個輸出通道

• 高通道密度

• 觸發(fā)輸出延遲小于 50 ns

• 可實(shí)現(xiàn)多頻率數(shù)字調(diào)制

• LabOne? AWG 定序器和編譯器

圖5.SHFSG+任意波型發(fā)生器

• 4 或 8 個輸出通道，控制多達(dá) 8 個量子比特

• 在 DC 至 8.5 GHz 頻率范圍，信號帶寬 1 GHz，無需混頻器校準(zhǔn) （請聯(lián)系我們 頻率 > 8.5 GHz）

• 高保真門的低相位噪聲和低雜散音

• 無需外部放大，高輸出功率，可實(shí)現(xiàn)短門脈沖

• 6 GSa/s 的 14 位輸出

• 可通過 LabOne? Q 軟件、LabOne 或 LabOne 的 Python、C、MATLAB?、LabVIEW? 和 .NET 的 API 進(jìn)行控制

參考資料

Zurich Instruments官網(wǎng)資料整理

飛時科技(北京)有限公司整理